JPH01227689A - 可変速誘動電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、トルク特性および効率が良く速度制御が容易
な可変速誘導電動機に関する。

従来技術とその問題点 誘導電動機の速度を制御する方法の一つとして電源周波
数を変える方法がある。この方法は連続的かつ広範囲な
速度制御が可能である半面、この方法で必要とする周波
数変換装置を高価どし、また周波数変換装置により交流
を直流に変換して再度交流に変換する過程において一般
に高調波および電波が発生し、これらによってコンピュ
ーター、その地名種電気制’ａｍ器の誤動作あるいはコ
ンデンサーの過熱等の障害を招くことがあり、このうち
高調波障害に対しては、フィルターを設置することによ
り対策を講じることもできるが、フィルターの設置には
コストがかかる。また低速時において一般に性能が不十
分となる等の欠点を有するものである。

また、電動機の極数を変えて速度を制御する方法は、極
数の変換によって段階的に速度を変えることができても
、無段階的に滑かな速度制御をすることができない欠点
がある。

また、電源の電圧を変えて速度を制御する方法では、速
度制御が連続的に行える半面特に低速度領域において効
率が悪くなる欠点がある。

そして、巻線型電動機において二次抵抗を変化させすべ
りを変えて速度制御を行う方法は、比較的簡単に連続的
な速度制御が可能である半面、外部からブラシとスリッ
プリングを介して回転子巻線回路へ抵抗を挿入するため
に、ブラシの消耗による保守点検を必要とし、また、か
ご形誘導電ａｍは、二次抵抗を変化させて速度制御を行
うことができない問題点がある。

上記問題点に対処するものとして、例えば、特開昭５４
−１９００５号公報にその技術が開示してあり、このも
のは、２紺の回転子鉄心に跨って共通に設置されかつ両
端にてそれぞれ短絡環を介して相互間を短絡したかご形
導体と、２組の回転子鉄心間におけるかご形導体の中央
箇所にてかご形導体の相互間を短絡する高抵抗体とを備
え、回転子鉄心に対向してそれぞれ独立する固定子に巻
線を備え、始動時には固定子巻線の相互間の位相を１８
０°ずらせ、始動後の運転時には位相を合わせて給電す
る双鉄心かご彫型動機であるが、始動時に固定子巻線の
相互間の位相を１８０°ずらすことにより始動トルクを
大にして始動特性を向上し、運転時には固定子巻線の相
互間の位相を合わせて通常の１〜ルク特性で運転できる
点に特徴を有するものである。

したがって、始動性を向上する効果は認められたとして
も、この電動機は可変速電動機ではないから変速を必要
とする負荷の動力源として使用することができないもの
である。

なお、上記特開昭５４−２９００５号公報においで、起
動時から運転時への移行に際し、トルクの急激な変動に
よるショックを緩和する目的により瞬間的に固定子巻線
の相互の給電回路を直列接続の中間ステップを設けるこ
とも１例にあるが、この場合は、回転磁界の位相のずれ
が０°と　１８０°の両時点のみに限定されるもので変
速目的のものではない。しかも直列に切り換えたことに
より固定子に加わる電圧は半減されるのでトルクは１／
４に減殺されることも相俟って変速制御が全く不可能に
なることは、この公報に開示する要旨が変速を目的とし
ないことからも明白なところである。

発明の目的 本発明は、上記従来技術の欠点を改善するためのもので
、速度制御領域を広範囲に且つその速度制御を無段階的
として任意の所望速度に設定できると共に、任意のトル
クで起動させることができ、また起動点から最高回転速
度までの全速度領域に亘り、トルク特性と効率の優れた
可変速誘導電動機を提供づることにある。

なお、本発明の可変速誘導電動機は、単相または３相電
源等に接続して使用され、回転子の形態は、普通かご形
、二重かご形、深溝かご形。

特殊かご形１巻線形等のいずれの形式のものにも適用で
きるものであり、本発明の説明に用いる導体とは、かご
形回転子コアに装設した導体、および巻線形回転子コア
に巻装した巻線のそれぞれを総称するものである。

問題点を解決するための手段 上記技術的課題を達成するために、本発明は、複数個の
回転子コアのそれぞれに装設した複数個の導体のそれぞ
れを連結して一体的な回転子に形成し、前記複数個の回
転子コア間において、前記複数個の導体を抵抗材によっ
て連結し、前記複数個の回転子コアに対峙する外周部に
複数個の固定子を機枠に並設し、前記複数個の固定子と
対峙しない前記複数個の回転子コアにおいて、前記複数
個の導体のそれぞれを抵抗材を介して短絡すると共に、
前記複数個の固定子のそれぞれに巻装した巻線のそれぞ
れを並列に連結し、前記複数個の固定子のうち、少なく
とも１個の固定子に関連して電圧移相装置を設けた可変
速誘導電動機において、回転子導体の固定子側からみた
抵抗値と前記抵抗材の固定子側からみた抵抗値の２倍の
和を前記回転子導体の前記抵抗値で除した値が前記複数
個の固定子間に電圧の位相差を設【プない場合の前記電
動機の定格負荷１〜ルク時におけるすべりの値の逆数よ
りも大きくなるようにすることにより、解決の手段とし
た。

作　　用 本発明は、任意手段により、それぞれの固定子間に生起
する回転磁界の磁束に位相のずれを生じさせると、磁束
の位相のずれに応じて回転子導体に誘起する電圧が変化
し、回転子導体に誘起する電圧を増減制御して回転子の
回転速度を任意に変えることができる。

ところで、複数個の回転子コアに装設した複数個の導体
を回転子コア間において抵抗材を介して短絡した構成に
より、前記位相のずれに応じて前記抵抗材に電流が流れ
て大ぎな１〜ルクを出すことができるとともに、回転子
導体の固定子側からみた抵抗値と前記抵抗材の固定子側
からみた抵抗値の２倍の和を前記回転子導体の前記抵抗
値で除した値が、前記複数個の固定子間に電圧の位相差
を設（プない場合の前記電動機の定格負荷トルク時にお
けるすべりの値の逆数よりも大ぎくなるように前記抵抗
材の抵抗値を定めることにより、速度がゼロ付近におい
ても定格トルクを得られるとともに、広範囲の変速がで
きるという事実を解明した。

この結果、前記位相のずれの大ぎざを操作することによ
り、１〜ルクを安定的にかつ広範囲の変速が可能となっ
たのである。

なお、本発明においては、巻線形の回転子を有し、ブラ
シとスップリングを介して外部に抵抗材を設けて２次抵
抗を変化させてすべりを変えて変速する可変速誘導電動
機とは構成と特性が全く異なる。すなわち、前記巻線形
回転子を有し、ブラシとスリップリングを介して外部に
設けた抵抗材の抵抗値を変化させる方式のものは抵抗は
回転子導体に直列にそう人されるのでいわゆる比例推移
の原理が成立するから本発明の可変速誘導電動機におい
ては抵抗材は回転子導体に並列的にそう人されトルク特
性は前記の巻線形の二次抵抗調節形のものとは異なる。

実施例 本発明の実施例を第１図〜第９図に基づき説明する。

第１図〜第３図により本発明の一実施例を説明する。（
第１図、第３図参照）符号１は誘導電動機であり、該誘
導電動機１は以下のように構成しである。鉄心からなる
回転子コア２．３を任意の間隔を設けて回転子軸４に装
着し、回転子コア２，３間に非磁性体コア９を介設して
ある。回転子コア２，３に装設した複数個の導体５・・
・のそれぞれを直列に連結して一体的な回転子８を形成
し、その′直列に連結した複数個の導体５・・・の両端
部を短絡環６．７に連結しである。また回転子コア２，
３．９に回転子８の両側部１０．１１に連絡覆る複数個
の通風胴１２・・・を設け、通風胴１２・・・から直交
状に回転子８の外周部に貫通する複数個の通気孔１３・
・・を穿設しである。回転子８は回転子コア２，３間の
非磁性体コア９部において、複数個の導体５・・・のそ
れぞれを任意のベクトルの差の電流が流れると通電覆る
連結材としてニクロム線、炭素混入鋼１通電性セラミッ
ク等の抵抗材ｒ・・・を介して短絡しである。（第１図
、第２図参照）円筒状の機枠１４の両側部に設【フた軸
受盤１５．１６を連結棒１７・・・にナツト１８・・・
留めして一体的に組付け、回転子８の両側部に冷却用翼
車１９．２０を装着し、回転子軸４の両端部を軸受盤１
５．１６に嵌装した軸受２１．２１に軸支し、回転子４
を回転自在としである。

回転子コア２，３に対峙する外側部に巻線２２，２３を
施した第１固定子２４と第２固定子２５を機枠１４に並
設し、機枠１４と第１固定子２４．第２固定子２５との
間にすべり軸受２６．２７を装設し、すべり軸受２６．
２７を機枠１４に嵌装したストップリング２８・・・に
よって固定し、第１固定子２４と第２固定子２５の一側
外周面にギヤー３３Ａ、３３Ｂを嵌着しである。（第２
図、第３図参照）機枠１４の外周部に固設したパルスモ
ータ−３５に駆動用歯車３６を軸着し、機枠１４の外側
部に装着した軸受台３２に中継軸２９を回転自在に軸架
し、中継軸２９の両端部に中継用歯車３０と回動用歯車
３１とを軸着し、機枠１４に設けた開口部３７．３７か
ら駆動用歯車３６と回動用歯車３１とを機枠１４内に挿
入し、回動用歯車３１を第２固定子２５に嵌着したギヤ
ー３３Ｂに係合させ、駆動用歯車３６を第１固定子２４
に嵌着したギヤー３３Ａに係合させると共に、駆動用歯
車３６と一体的に形成した連動歯車３４に中継用歯車３
０を係合し、第１固定子２４と第２固定子２５とを回転
子８と同心的に回動自在に形設し、第１固定子２４と第
２固定子２５とにより電圧移相装置３８に形成し、可変
速誘導電動機としである。１９．２０は回転子軸４に固
着した冷却用翼車であり、３９は排風孔、４０は、軸受
盤１５．１６に複数個穿設した通風孔である。

次に第１固定子２４と第２固定子２５のそれぞれに巻装
した巻線２２．２３の結線について説明する。（第４図
参照）第１．第２固定子２４．２５のそれぞれにスター
結線を施した巻線２２．２３とを並列に連結する。

以下に上記構成における作用を説明する。

第１固定子２４の巻線２２に商用３相電源から通電する
と、固定子２４．２５に回転磁界が生じて回転子８に電
圧が誘起され、回転子８の導体５・・・に電流が流れて
回転子８は回転する。

第１固定子２４に対して第２固定子２５それぞれの回動
量をゼロとしたときには、それぞれの固定子２４．２５
に生じる回転磁界の磁束に位相のずれがなく、その詳細
は後述する如く連結材となす抵抗材ｒ・・・には電流が
流れないので、一般の誘導電動機と同一のトルク特性を
持つものである。・ 次に、パルスモータ−３５を作動して第１固定子２４と
第２固定子２５のそれぞれを逆方向に回動して位相角で
θだけ回動した場合について説明する。電圧移相装置３
８となす第１固定子２４と第２固定子２５が作る回転磁
界の磁束φ１．φ２の位相はθだけずれており、そのた
め第１固定子２４と第２固定子２５により回転子８の導
体５・・・に誘起される電圧ｔａｒ　、、ｔＱ２の位相
はθだけずれている。今、第２固定子２５によって回転
子８の導体５・・・に誘起される電圧ｄ２を基準にとし
、該電圧を６２＝ＳＥとする。ここでＳはすべり、Ｅは
すべり　１のときの誘起電圧である。このとぎ第１固定
子２４によって導体５Ａに誘起される電圧ｄ１は、白＝
ＳＦεｊＯとなる。

（Ｅ＝すべり１の時め誘起電圧） 第４図に示すものは、非磁性体コア９部において複数個
の導体５・・・を短絡する抵抗材「・・・が装着されて
、いない場、全、の回転子８のすべりＳと回転子入力ρ
有効電力Ｐとの関係を示づもので、電圧の位相がθ＝０
°のとき有効電力Ｐは最大となり、０°くθ〈１８０°
のとぎはそれよりも小さなものとなる。ここで導体５・
・・の抵抗およびインダクタンスをＲおよびＬとし、電
源の角周波数をωとすれば、有効電力Ｐの極大はＳ＝　
（Ｒ／ωＬ）　のとぎ現われる。

有効電力Ｐは誘導電動機１の駆動トルクと比例するので
、パルスモータ−３５を作動して電圧移相装＠３８の第
１固定子２４と第２固定子２５とを回動させることによ
って回転子８に誘起する電圧を調整し、回転子の速麿を
無段階的に１制御することができる。

次に、回転子８の導体５・・・の短絡環６，７から連結
材までのそれぞれの抵抗をＲ１，Ｒ２、またインダクタ
ンスをＬｌ、Ｌ２とし、電源の角周波数をωとし、各導
体５・・・のそれぞれを短絡する抵抗材の抵抗をｒとす
れば、回転子８の電気的等価回路は第５図のようになり
、符号Ｉ＋、１２．１３は各枝路を流れる電流を示づも
のである。

次に、第５図に示すものを両固定子２４．２５側からみ
た秀価回路に変換すると第６図のようになり、Ｒ＋　＝
Ｒ２，Ｌ＋＝ｌ　２でθ−〇。

のとぎには１３＝１１−Ｉ２＝　Ｏとなり抵抗材ｒには
電流が流れないことになる。このことはθ−０°のとき
にはトルクＴはｒがないとぎの値に等しいことを意味し
−Ｃいる。従って、θ−〇°のときは従来の誘導電動機
と同一のトルク特性を持つことになる。

次に、Ｒ＋−Ｒ２，ＬＩ＝１２でθ−１８０゜のときに
は、Ｉ＋＝−Ｔ２，１３＝ＩＩ−Ｉ２＝２’ｌ＋となり
、従来の誘導電動機において回転子導体の抵抗をＲＩ＋
Ｒ２＝ＲとすればＲはＲ＋２ｒに増加したと同様な結果
となっている。

上記回転子８０回転により、軸受盤１５．１６に穿設し
た通風口４０・・・から冷却用翼車１９゜２０により機
枠１４内に外気を吸引し、冷却用翼車１９．２０により
第１．第２固定子２１！Ｉ。

２５、巻線２２．２３に通風して冷却し、また通風胴１
２・・・を介し通気孔１３・・・に流通させる風により
回転子コア２，３、導体５・・・、抵抗材ｒ・・・等を
冷却してそれぞれの機能を安定的に作用させる。また、
第１．第２固定子２＝１．．２５の回動はパルスモータ
−３５をスイッチにより正・逆回転させて行うが、パル
スモータ−３５に限定されるものではなく他の正逆転モ
ータでも、また気体、液体シリンダー等による壷ナーボ
機構等任意の駆動装置を転用できるものであり、また、
手動ハンドルによって操作する場合と第１固定子２４と
第２固定子２５のいずれか一方のみを回動する場合もあ
る。そして、固定子の回動駆動装置の作動に関連して固
定子の回動を任意の作動機構により開放またはロックを
Ｊる。

第１固定子２４と第２固定子２５の巻線２２゜２３に入
力する電圧は等しく、両固定子２４゜２５のそれぞれか
ら回転子８の導体５・・・に誘起する電圧は同等でその
電圧の位相はＰθだけ異なり、複数個の導体５・・・間
を連結材となす抵抗材ｒ・・・を介して流れる電流は、
（１／　２）　Ｘ（第１．第２固定子のそれぞれから回
転子導体に誘起した差電圧）÷（抵抗材ｒ・・・の抵抗
値）にほぼ比例した電流となる。しかしながら、回転子
８の導体５・・・には抵抗材ｒ・・・に流れる電流の他
に（第１．第２固定子の回転子導体に誘起する和電圧）
÷（回転子導体のインピーダンス）にほぼ比例した電流
が重畳して流れる。（上記和電圧は、Ｐθ−πがゼロで
、Ｐθ−０で最大となり、回転子導体のインピーダンス
は導体の抵抗と二次漏れリアクタンスのそれぞれよりな
るのですべりによって異なる）したがって、回転子８の
導体５・・・に流れる電流の大きさに対し、複数個の導
体５・・・間を抵抗材ｒ・・・を介して流れる電流の比
率は、Ｐθが一定でもすべりおよび抵抗値によっても異
なり、Ｐθを一定とした場合のすべりとトルク特性は、
一般の巻線形誘導電動機の二次挿入抵抗を一定とした場
合の特性と、一般の誘導電動機の一次電圧を制御した場
合の特性とを混合した特性となる。

ところでこの場合、回転子導体の抵抗値と前記抵抗材の
抵抗値によって位相のずれを生じさせた場合にトルク特
性が異なることはもちる／υであるが、回転子導体の固
定子側からみた抵抗値と前記抵抗材の固定子側からみた
抵抗値の２倍の和を前記回転子導体の前記抵抗値で除し
た値を前記複数個の固定子間に電圧の位相差を設けない
場合の前記電動機の定格負荷１ヘルクＴ１時におけるす
べりの値Ｓ１の逆数と原則的に等しくすることにＪ：り
電圧の位相差θを１８０°にした場合に、すべりＳとト
ルクＴの関係を示づ特性グラフのすべりＳ＝　　１のと
ぎのトルクが前記定格トルクＴ１と等しくなるという新
しい事実を解明した。

第８図が前記のように回転子導体の抵抗値と抵抗材の抵
抗値を定めた場合の特性図であり、第７図は回転子導体
の固定子側からみた抵抗値と前記抵抗材の固定子側から
みた抵抗値の２侶の和を前記回転子導体の前記抵抗値で
除した値が前記複数個の固定子間に電圧の位相差を設け
ない場合の前記電動機の定格負荷１〜ルクＴ１時におけ
るすべりの値Ｓ１よりも小ざい場合の特性図であり、変
速可能な範囲は狭くなることはもちろん標準的な負荷で
ある定１ヘルク特性の負荷をゼロ回転近くの低速域で回
転させられないことになる。

一方、第９図は本発明の一実施例図で回転子導体の固定
子側からみた抵抗値と前記抵抗材の固定子側からみた抵
抗値の２倍の和を前記回転子導体の前記抵抗値で除した
値が、前記複数個の固定子間に電圧の位相差を設けない
場合の前記電動機の定格負荷トルク時にお【ノるずべり
Ｓｌの愛の逆数よりも大きくなるようにしノＣ場合の特
性図で、標準的な負荷である定トルク特性の負荷で定格
トルクＴ１よりも小ざい負荷についてもゼロ回転近くの
低速域で運転できるとともに変速領域を大きくとること
ができ可変速モーターとして優れたものとすることがで
きたのである。

なお、前記回転子コア間を空間または非磁性体とすれば
漏れリアクタンスが減少しトルク特性と効率のより優れ
た可変速誘導電動機となる。

また、本電動機を可変速誘導電動１機としてでなく、起
動性能を改善するだけの電動機、づなわち起動時には位
相のずれθの設定に応じて前記定格負荷トルクを含む広
範囲かつ安定的な起動を可能とし、起動後には位相のず
れをゼＬ１または小さくして定常運転することである。

なお、電圧移相装置は上記実施例に限定されるものでは
なく、両同定子間に位相のずれを生じさせる装置を任意
に選択して実施できるものである。すなわち、前記電圧
移相装置を前記複数個の固定子のうち少なくとも１個の
固定子に巻装した巻線に連結する位相切換用スイッチと
する場合、あるいは前記電圧移相装置を単相変圧器と結
線切換スイッチにより形成する場合、前記電圧移相装置
を誘導電圧調整器とする場合等を含むことはもちろんで
ある。

前記複数個の固定子のそれぞれに複数種の極数を形成す
る巻線を施し、該巻線の端子に極数切換スイッチを連結
することを併用する場合もあり、前記複数個の固定子の
それぞれに巻装した巻線の結線をデルタ結線またはスタ
ー結線のいずれかに切換自在とするスイッチを設けるこ
とを併用する場合もある。

さらに本発明の可変速誘導電動機を誘導発電機としても
使用することができるものであり、回転子軸４にタービ
ン等を直接連結して発電すれば高価な調速機を省略する
こともできる。また内燃機を原動機として連結した場合
には、その内燃機の最小燃費の回転数に対応することが
でき、風水をエネルギー源とするパワーが弱く不安定な
場合においても、その最高出力を取出せる回転数で発電
することができ、水力発電においては流速に応じ□て効
率よく発電でき、それぞれ複雑高価な可変ピッチ装置あ
るいぼ調相機を省略できる。また外部電力に対しての同
期も高価な同期装置なしで行える。また、回転子軸に他
の回転軸を連結すると共に固定子巻線の入力側の２相を
入替えるスイッチを設け、該スイッチにより回転子軸を
正転、逆転自在とすれば、該スイッチと電圧位相装置と
の操作より電機制動機、としても使用することができ、
電圧位相装置により回転速度を制御することにより、回
転子軸に連結した回転軸の制動力を効率よく調整できる
。

発明の効果 上記に説明した如く本発明によれば、複数個の固定子に
巻装した巻線を並列に連結し、前記固定子の少なくとも
１個に関連して電圧移相装置を連結し、固定子と対峙し
ない回転子コア間において複数個の導体のそれぞれを抵
抗材を介し短絡しであるので、電圧移相装置を操作して
固定子に生起する回転磁界の磁束に位相のずれ　′を生
じさせるだけでの簡単な操作により、回転子の回転速度
を任意に変えることができる。また、回転子導体の固定
子側からみた抵抗値と前記抵抗材の固定子側からみた抵
抗値の２倍の和を前記回転子導体の前記抵抗値で除した
値が前記複数個の固定子間に電圧の位相差を設けない場
合の前記電動機の定格負荷トルク時におけるすべりの値
の逆数よりも大きくなるようにしたために標準的な負荷
である定トルク特性の負荷をゼロ回転近くの低速域で駆
動できるとともに変速範囲を広く出来て可変速上−ター
としての価値を大きく高めることがＣぎたのである。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９図は、本出願の実施例図である。 第１図は誘導電動機の側断面図、第２図は固定子の回動
機構を示す側面図、第３図は固定子の回動機構を示す一
部を破断した側面図、第４図は回転子のすべりと有効電
力の関係を示す図、第５図は回転子の電気的等価回路図
、第６図は固定子側からみた電気的等価回路図、第７図
はすべりトルクのカーブ例、第８図はすべりと１〜ルク
のカーブの例、第９図はすべりとトルクのカーブである
。 １・・・誘導電動機　　　　２，３・・・回転子コア４
・・・回転子軸　　　　　５・・・導体６．７・・・短
絡環　　　８・・・回転子９・・・非磁性コア　　　１
０．１１川側部１２・・・通風胴　　　　　１３・・・
通気孔１４・・・機枠　　　　　　１５．１６・・・軸
受盤１７・・・連結棒　　　　　１８・・・ナツト１９
．２０・・・冷却用翼車　２１・・・軸受２２．２３・
・・巻線　　　２４・・・第１固定子２５・・・第２固
定子　　　２６．２７・・・すべり軸受２８・・・ス１
へツブリング

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、複数個の回転子コアのそれぞれに装設した複数
   個の導体のそれぞれを連結して一体的な回転子に形成し
   、前記複数個の回転子コア間において、前記複数個の導
   体を抵抗材によって連結し、前記複数個の回転子コアと
   同心的に、かつ、その外周部に複数個の固定子を対峙並
   設し、前記複数個の固定子に巻装された巻線を互いに並
   列に連結し、前記複数個の固定子のうち少なくとも１個
   の固定子に関連して電圧位相装置を設けた可変速誘導電
   動機において、回転子導体の固定子側からみた抵抗値と
   前記抵抗材の固定子側からみた抵抗値の２倍の和を前記
   回転子導体の前記抵抗値で除した値が、前記複数個の固
   定子間に電圧の位相差を設けない場合の前記電動機の定
   格負荷トルク時におけるすべりの値の逆数よりも大きく
   なるようにしたことを特徴とする可変速誘導電動機。
2. （２）、前記複数個の固定子間に加える電圧の位相を０
   °から１８０°の範囲内において任意の位相のずれに設
   定できるように、前記抵抗材を関連的に前記複数個の固
   定子間に位置させた少なくとも１個の固定子を前記回転
   子と同心的に回動自在に形設して前記電圧移相装置に形
   成した特許請求の範囲第（１）項記載の可変速誘導電動
   機。
3. （３）、前記回転子コア間は空間または非磁性体とした
   特許請求の範囲第（１）項または第（２）項記載の可変
   速誘導電動機。